【文章內容簡介】 的輸入能量恒小于輸出能量，因而無熱積累 。在電流過零后，恢復電壓又不足以將已形成的弧隙介質擊穿。二、弧隙電壓恢復過程n 電弧電流過零后，弧隙兩端的電壓將由零或反向的電弧電壓上升到此時的電源電壓。這一電壓上升過程稱為電壓恢復過程，此過程中的弧隙電壓則稱為 恢復電壓 。n 電壓恢復過程進展情況與電路參數(shù)有關。 分斷電阻性電路時 (圖 216a), 電弧電流 i與電源電壓 U同相，故電流過零時電壓亦為零。這樣，電流過零后作用于弧隙的電壓 恢復電壓 uhf自零開始按正弦規(guī)律上升，而無暫態(tài)分量，只有穩(wěn)態(tài)分量 工頻正弦電壓。n 若分斷電感性電路 (圖 216b)，因電流滯后于電源電壓約 90度，故電流過零時電源電壓恰為幅值。因此，電流過零后加在弧隙上的恢復電壓將自零躍升到電源電壓幅值，并于此后按正弦規(guī)律變化。這時的恢復電壓含上升很快的暫態(tài)分量。n 分斷電容性電路時 (圖 216c)，因電流越前電源電壓約 90度，電流過零時電壓也處于幅值，因而電容被充電到具有約為電源電壓幅值的電壓，且因電荷于電路分斷后無處泄放而保持著此電壓。因此，電弧電流為零時恢復電壓有一個幾乎很少衰減的暫態(tài)分量和一工頻正弦穩(wěn)態(tài)分量，并且是從零開始隨著 u的變化逐漸增大，最終達到約二倍電源電壓幅值。實際的電壓恢復過程要復雜得多，它要受到被分斷電路的相數(shù)、一相的斷口數(shù)、線路工作狀況、滅弧介質和滅弧室構造及分斷時的初相角等許多因素的影響。鑒于電路以電感性的為多，所以分析電壓恢復過程也以它為例。為便于分析起見，只討論理想弧隙的電壓恢復過程，并設電路本身的電阻為零、且在此過程 (約數(shù)百微秒 )中電源電壓不變。顧及到電源繞組間的寄生電容、線路的對地電容和線間電容 (其總值為 C)，則電路的電壓方程為其解為： 式中 A、 B為積分常數(shù) ω0為無損耗電路的固有振蕩角頻率 Ugm工頻電源電壓的幅值當電弧電流過零 (t=0)時， uc=0, du/dt=0，故積分常數(shù) A=Ugm ， B=0。于是， 此電壓 Uc就是弧隙上的恢復電壓 Uhf，它含穩(wěn)態(tài)分量 Ugm和暫態(tài)分量 Ugmcosω0t。因此，電壓恢復過程是角頻率為ω0的振蕩過程 (圖 217a)。三、交流電弧的熄滅n 交流電弧的熄滅條件 是在零休期間 不發(fā)生熱擊穿 ，同時在此之后弧隙介復過程總是勝過電壓恢復過程，也即不發(fā)生電擊穿 。但從滅弧效果來看，零休期間是最好的滅弧時機 :一則這時弧隙的輸入功率近乎等于零，只要采取適當措施加速電弧能量的散發(fā)以抑制熱電離，即可防止因熱擊穿引起電弧重燃 。 二則這時線路所儲能量很小，需借電弧散發(fā)的能量不大，不易因出現(xiàn)較高的過電壓而引起電擊穿。反之，若滅弧非常強烈，在電流自然過零前就 “截流 ”，強迫電弧熄滅，則將產(chǎn)生很高的過電壓，即使不致影響滅弧，對線路及其中的設備也很不利。因此， 除非有特殊要求，交流開關電器多采用滅弧強度不過強的滅弧裝置，使電弧是在零休期間、而且是在電流首次自然過零時熄滅 。實際上交流電弧未必均能于電流首次自然過零時熄滅， 有時需經(jīng) 2~3個半周才熄滅 。如圖 218所示， 觸頭剛分離 (t =t0)時， 弧隙甚小 ， Uh也不大。故電流在首次過零 (t= t1)前，其波形基本上仍屬正弦波，且在電流過零處比電源電壓滯后約為 90度。這時，介質強度 Ujf不大，當恢復電壓 Uhf于不久后上升到大于燃弧電壓 UbI時，弧隙被擊穿，電弧重燃。在第二個半周，弧隙增大了， uh ujf均增大，電流再過零 (t=t2)時的滯后角φ2φ1。由于 Ujf仍不夠大，在 Uhf Ujf2時，弧隙再次被擊穿，電弧仍重燃。此后因弧隙更大，當 t = t即電流第三次過零時， φ3φ2，且 Ujf始終大于 Ubf，電弧終被熄滅，交流連路也完全切斷了。第六節(jié) 滅弧裝置n 一、滅火花電路n 二、簡單滅弧n 三、磁吹滅弧裝置n 四、弧罩與縱縫滅弧裝置n 五、柵片滅弧裝署n 六、固體產(chǎn)氣滅弧裝置n 七、石英砂滅弧裝置n 八、油吹滅弧裝置n 九、壓縮空氣滅弧裝置n 十、六氟化硫 (SF6)氣體 滅弧裝置n 十一、真空滅弧裝置n 十二、無弧分斷電弧燃燒空間的擴展及其導致的觸頭電侵蝕，能危及電器本身和它所在系統(tǒng)的安全可靠運行，故必須采用適當滅弧裝置以加速并可靠地熄滅電弧。一、滅火花電路 滅火花電路用于 保護直流繼電器 的觸頭系統(tǒng)，降低其電侵蝕、提高其分斷能力，進而保證其安全可靠運行，因為繼電器工作電流雖不大，但為提高靈敏度和減小體積重量，其接觸壓力取得很小，兼之操作頻率高、負載又多為電感性的，故必須增強其滅弧能力。所謂滅火花電路，或并聯(lián)在負載上、或并聯(lián)在繼電器觸頭上作為放電回路。二、簡單滅弧 這是指在大氣中分開觸頭拉長電弧使之熄滅。它借機械力或電弧電流本身產(chǎn)生的電動力拉長電弧，并使之在運動中不斷與新鮮空氣接觸為其冷卻。這樣，隨著弧長，和弧柱電場強度 E的不斷增大，使電弧伏安特性因電弧電壓 Uh增大而上移。當 UhuiR時，電弧熄滅。 低壓電器中的 刀開關和直動式交流接觸器 均有利用簡單滅弧原理者。但為保護觸頭有時還設弧角，使電弧在弧角上燃燒，同時為限制電弧空間擴展有時亦設置滅弧室。三、磁吹滅弧裝置 需要較大的電動力將電弧吹入滅弧室時，要采用專門的磁吹線圈 (圖 220)建立足夠強的磁場。它通常有一至數(shù)匝，與觸頭串聯(lián) (雖也可與電源并聯(lián)，但很少見 )。為使磁場較集中地分布在弧區(qū)以增大吹弧力，線圈中央穿有鐵心，其兩端平行地設置夾著滅弧室的導磁鋼板。串聯(lián)磁吹線圈的吹弧效果在觸頭 分斷大電流 時很明顯，分斷小電流時則比較遜色。四、弧罩與縱縫滅弧裝置 為限制弧區(qū)擴展并 加速冷卻 以削弱熱電離，常采用陶土或耐弧塑料 (如三聚氰胺與 MP1塑料 )制造的滅弧室。有些滅弧室還設有狹窄的縱縫，使電弧進入后在與縫壁的緊密接觸中被冷卻。 縱縫滅弧裝置有單縱縫、多縱縫和縱向曲縫等數(shù)種 (圖 221)。為克服電弧進入寬度略小于其直徑的狹縫的阻力，有時還需磁吹配合。 縱縫多采取下寬上窄的形式，以減小電弧迸入時的阻力。多縱縫的縫隙甚窄，且入口處寬度是驟變的，故僅當電流甚大時卓有成效?？v向曲縫兼有逐漸拉長電弧的作用，故其效果尤佳。這種滅弧方式多用于 低壓開關 電器，間或用于 3~ 10kV的高壓開關電器。五、柵片滅弧裝置 柵片滅弧裝置有絕緣柵片與金屬柵片兩種 :前者借拉長電弧 并使之在與它緊密接觸的過程中 迅速冷卻 。后者借將電弧截割為多段短弧、利用增大近極區(qū)電壓降 (特別是交流陰極效應 )以加強滅弧效果 (圖 222)。金屬柵片為鋼質，它有將電弧吸引的作用和冷卻作用，但其 V形缺口是偏心的，且要交錯排列以減小對電弧的阻力。柵片滅弧裝置適用于高低壓直流和交流開關電器，但以 低壓交流開關 電器用得較多。六、固體產(chǎn)氣滅弧裝置 它主要用于 高低壓熔斷器 。以低壓封閉管式熔斷器為例，它是利用能產(chǎn)生氣體的固體絕緣材料兼作絕緣管和滅弧室。電路發(fā)生短路時，熔體窄部迅速熔化和汽化，形成若干串聯(lián)短弧，而絕緣管則在電弧高溫作用下迅速分解汽化，產(chǎn)生壓強達數(shù) MPa的含氫高壓氣體。電弧便在近陰極效應和高壓氣態(tài)介質共同作用下很快熄滅，有時甚至能在短路電流尚未達到頂期值之前就截流，提前分斷電路。七、石英砂滅弧裝置 它也是主要用于高低壓熔斷器。石英砂充填在絕緣管內作為滅弧介質。熔斷器的熔體熔化后產(chǎn)生的金屬蒸氣為石英砂所限無法自由擴散，遂形成高壓氣體，使電離了的金屬蒸氣擴散于石英砂縫隙內，在該處冷卻并復合。這種裝置滅弧能力強，截流作用顯著。但分斷小倍數(shù)過載電流時，可能因熔體穩(wěn)態(tài)工作溫度較高而將石英砂熔解，形成液態(tài)玻璃，并與金屬熔體作用生成絕緣性能差的硅酸鹽，以致發(fā)生穩(wěn)定燃弧現(xiàn)象，特別是在 直流 的場合。八、油吹滅弧裝置 油吹滅弧裝置是以變壓器油為介質。產(chǎn)生電弧后，它會使油氣化為含氫量達 70~80%的氣體，后者與占總體積約 40%的油蒸氣共同形成油氣泡，使電弧在其中燃燒。油吹滅弧主要是利用氫氣的高導熱性和低粘度以加強對弧柱的冷卻作用，利用油氣為四周冷油所限不能迅速膨脹而形成的 ~ IMPa高壓以加強介質強度，以及利用因氣泡壁各處油的氣化速度不同產(chǎn)生的壓力差使油氣作紊亂運動，將剛生成的低溫油氣引至弧柱以加速其冷卻。油吹滅弧的燃弧時間有一最大值，與之對應的電流稱為臨界電流其值因滅弧裝置結構而異，由于弧室機械強度的限制，油吹滅弧還有一極限開斷電流。 油吹滅弧裝置曾在 高壓斷路器 中占重要地位，但由于結構復雜且效果不甚理想，它已越來越多地為其他形式的滅弧裝置所取代。九、壓縮空氣滅弧裝置 它也是用于 高壓電器 。開斷電路時，以管道將預儲的壓縮空氣引向弧區(qū)猛烈吹弧。一面帶走大量熱量、降低弧區(qū)溫度，另一方面則吹散電離氣體將新鮮高壓氣體補充空間。因此，這種滅弧裝置既能提高分斷能力、縮短燃弧時間，又能保證自動重合閘時不降低分斷能力。它雖無臨界電流，但仍有極限分斷能力。然而，由于種種原因，壓縮空氣滅弧裝置近年來也用得比較少了。十、六氟化硫 (SF6)氣體滅弧裝置 SF6氣體為共價鍵型的完全對稱正八面體分子結構的氣體，故具有強負電性，極為穩(wěn)定。它無色、無臭、無味、無毒、既不燃也不助燃。一般無腐蝕性。在常溫常壓下 SF6的密度是空氣的 5倍，分子量也大，故其熱導率雖遜于空氣，但熱容量大，總的熱傳導仍優(yōu)于空氣。 概括起來， SF6氣體作為滅弧介質具有下列優(yōu)點 :它在電弧高溫下生成的等離子體度很高，故弧隙能量小， 冷卻特性好 。介質強度恢復快，絕緣及滅弧性能好， 有利于縮小電器的體積和重量 ?；旧蠠o腐蝕作用 。無火災及爆炸危險 。采用全封閉結構時 易實現(xiàn)免維修運行 。可在較寬的溫度和壓力范圍內使用 。無噪聲及無線電干擾 。 SF6氣體的主要缺點是液化 (40度時，工作壓力不得大于。35度時不得大于 )，而且在不均勻電場中其擊穿電壓會明顯下降。 目前， SF6氣體滅弧裝置已廣泛用于高壓斷路器，同時此氣體還廣泛用于全封閉式高壓組合及成套設備中作為滅弧和絕緣介質。十一、真空滅弧裝置 此滅弧裝置以真空作為絕緣及滅弧手段。當滅弧室真空度在 103Pa以下時，電子的自由行程達 43m，發(fā)生碰撞電離的概率極小。因此，電弧是靠電極蒸發(fā)的金屬蒸氣電離生成的。若電極材料選用得當，且表面加工良好，金屬蒸氣就既不多又易擴散，故 真空滅弧效果比其他方式都強得多 。真空滅弧具有下列優(yōu)點：觸頭開距小(10kV級的僅需 10mm左右 )，故滅弧室小，所需操作力也小，動作迅速 。燃弧時間短到半個周期左右，且與電流大小無關 。介質強度恢復快；防火防爆性能好；觸頭使用期限長，尤適宜于操作頻率高的場合。其缺點主要是截流能力過強，滅弧時易產(chǎn)生甚高的過電壓。目前，高低壓電器均發(fā)展了采用真空滅弧裝置的工業(yè)產(chǎn)品。十二、無弧分斷 實現(xiàn)無弧分斷一般有兩種方法 :一是在交變電流自然過零時分斷電路，同時以極快的速度使動靜觸頭分離到足以耐受恢復電壓的距離，使電弧甚弱或無從產(chǎn)生 。二是給觸頭并聯(lián)晶閘管，并使之承擔電路的通斷，而觸頭僅在穩(wěn)態(tài)下工作。(一 )同步開關 圖 223所示為帶壓縮空氣滅弧裝置的同步開關原理結構。其設計原則是使開關在電流將自然過零時 (如1ms)分斷，并加速觸頭運動，使之在電流過零時已有一定間隙，滅弧就能在電流甚小、燃弧時間甚短弧隙介質恢強度高的條件下進行。n 正常工作時，電容器 C由充電電路充電。若運行中發(fā)生短路，過流繼電器以觸頭閉合，接通飽和電流互感器 TA的二次電路。當一次電路 (即待分斷電路 )電流甚大時， TA鐵心處于飽和狀態(tài)，其二次繞組幾乎無輸出 。而當電流自然減至一定值時，鐵心轉入非飽和狀態(tài)，二次繞組有輸出。于是，同步觸發(fā)裝置 TS給出觸發(fā)脈沖，令晶閘管導通，而電容器C經(jīng) VS對靜止線圈放電。該線圈電流產(chǎn)生強大的磁通，使金屬盤出現(xiàn)感應電流。它與線圈電流互相作用，產(chǎn)生軸向電動斥力 F，使金屬盤連同動觸頭一起右移。同時，壓縮空氣亦吹向弧隙，使其介質強度于電流過零后迅速恢復。這就實現(xiàn)了無弧分斷。n 同步分斷結構復雜，故僅間或用于高壓電器。(二 )混合式開關 以混合式交流接觸器為例，它有電壓觸發(fā)式和電流觸發(fā)式兩類 (圖 224)。就前者而論，在斷開狀態(tài)，由于繼電器觸頭 KA是斷開的，雖然